I fluidi secondari: soluzioni acquose e soluzioni anticongelanti

In molte applicazioni della refrigerazione, il calore è trasferito dal refrigerante ad un fluido secondario, un qualsiasi liquido, utilizzato per trasferire calore senza cambiamento di fase. Questi liquidi sono anche conosciuti come fluidi termovettori, salamoie, anticongelanti o fluidi secondari.

Da tempo queste soluzioni trovano applicazione sia nel condizionamento dell’aria, che nella conservazione delle derrate alimentari dove sostituiscono gli impianti ad espansione diretta, consentendo un migliore controllo delle condizioni ambientali di temperatura e umidità relativa.

Inoltre, il sempre più crescente interesse verso i fluidi naturali, ammoniaca e idrocarburi, come fluidi frigorigeni negli impianti di refrigerazione e climatizzazione, rende il loro uso sempre più frequente e talvolta necessario.

Attraverso l’uso di fluidi secondari è possibile confinare i refrigeranti pericolosi all’interno di locali, le centrali frigorifere, dotate di tutti i sistemi di sicurezza e posizionate lontano da spazi frequentati da persone. Si ottengono in questo modo due importanti vantaggi: il primo connesso all’uso di fluidi naturali generalmente efficienti ed ecologici, mentre il secondo legato al migliore controllo della temperatura e umidità relativa nella zona da raffreddare. Tuttavia ci sono anche degli inconvenienti legati all’uso dei fluidi secondari, come, ad esempio, un maggiore costo impiantistico; infatti, sebbene vengano utilizzati degli ottimi refrigeranti, l’impianto presenta delle efficienze complessivamente minori, a causa della maggiore differenza di temperatura tra il fluido frigorigeno e l’utilizzazione del freddo, nonché della potenza elettrica di pompaggio spesa per movimentare il fluido secondario.

Identificare il miglior fluido secondario per una determinata applicazione è un’interessante sfida; per esempio, l’acqua è un eccellente fluido secondario per il condizionamento e per altre applicazioni, dove ci si accontenta di mantenere una temperatura non inferiore a circa 3 °C.

Se si vuole trasferire il freddo prodotto dall’evaporazione del fluido frigorigeno ad una temperatura inferiore agli 0 °C, si dovrà scegliere opportunamente il fluido secondario in modo che presenti un punto di congelamento ben al di sotto della temperatura alla quale deve operare.

Ci sono molti requisiti che un fluido secondario deve possedere; in particolare dovrebbe presentare delle buone proprietà termofisiche, tali che gli consentano sia di trasferire una grande potenza frigorifera con piccole differenze di temperatura e piccoli volumi di flusso, sia di utilizzare piccole differenze di
temperatura negli scambiatori (cioè generare elevati coefficienti di scambio termico) e di presentare basse perdite di carico in modo da contenere la potenza di pompaggio.

Infine, non meno importante, deve presentare una temperatura di congelamento sufficientemente inferiore a quella a cui deve lavorare. In tabella si riportano i valori dei punti di congelamento di alcune soluzioni acquose e di alcuni fluidi anticongelanti utilizzati nella refrigerazione commerciale e industriale.

Durante la scelta del tipo di fluido secondario, oltre alle proprietà termofisiche, si devono prendere in considerazione anche altri aspetti, tra cui: la sua  corrosività, tossicità, sicurezza ed economicità.

Purtroppo tutti i fluidi secondari sembrano avere uno o più aspetti negativi. Per i fluidi utilizzati nelle miscele acquose ricordiamo:

• Glicole etilenico: tossicità e rischio di inquinamento ambientale
• Glicole propilenico: elevata viscosità alle basse temperature e rischio di inquinamento ambientale
• Alcool etilico e metilico: infiammabilità, elevata volatilità, rischio per la salute
• Glicerolo: elevata viscosità alle basse temperature
• Ammoniaca: tossicità, infiammabilità, elevata volatilità, rischio per la salute
• Carbonato di potassio: rischio danni alla vista, in caso di contatto diretto, basso limite operativo
• Cloruro di calcio: altamente corrosivo in presenza di ossigeno, gli inibitori della corrosione possono essere fonti di rischio
• Cloruro di magnesio: come cloruro di calcio e basso limite operativo
• Cloruro di sodio: come cloruro di calcio e basso limite operativo
• Acetato di potassio: effetti a lungo termine ancora poco noti.

I fluidi non acquosi presentano delle scarse proprietà di trasporto e un costo elevato; in particolare, il terpene da oli di limone è molto corrosivo.

È evidente come non esista un fluido secondario ideale per ogni applicazione, ma che in ogni occasione si debbano confrontare le diverse caratteristiche delle varie soluzioni, in modo da poter scegliere quella che meglio si adatta. Le proprietà che determinano le caratteristiche di trasporto dei fluidi sono: il punto di
congelamento, la densità, la viscosità, il calore specifico e la conducibilità termica.

La densità ρ permette nella maggior parte dei casi di determinare la concentrazione di una determinata soluzione; comunque, in alcune occasioni (soluzioni acquose di glicoli propilenici) la densità è molto vicina a quella dell’acqua e quindi è consigliabile l’uso di metodi più sofisticati per determinare la concentrazione
della soluzione.

La viscosità dinamica µ è una proprietà fondamentale legata alle perdite di carico del fluido secondario; questa non deve essere troppo elevata alle temperature operative del fluido. Un elevato valore del calore specifico è auspicabile per garantire basse portate per un determinato flusso termico e buoni coefficienti di
scambio termico. La conducibilità termica λ dovrebbe essere la più alta possibile dato che contribuisce alla determinazione dei coefficienti di scambio termico. Un’altra proprietà molto importante è il coefficiente di dilatazione termica volumetrico che permette il dimensionamento del vaso di espansione necessario in questi circuiti idraulici.

Un primo confronto può essere condotto considerando due proprietà: la densità  ρ e il calore specifico cp, che concorrono alla determinazione del flusso termico scambiato da una certa portata volumetrica di fluido Ṿ, secondo:

Fissate una determinata portata di fluido secondario pari a 0.001 m3 s-1, che scambia calore alla temperatura media di 0 °C e una differenza di temperatura di 5 K, per diverse salamoie e fluidi anticongelanti, si ottengono i valori di flusso termico elencati in tabella.

Le miscele acquose presentano delle proprietà di trasporto migliori rispetto alle soluzioni anticongelanti (DEB, MS2), questo significa che, a parità di flusso termico, una soluzione anticongelante necessita di una portata volumetrica superiore (anche 2-3 volte) rispetto alle soluzioni acquose.

In figura 1 si riportano due diagrammi relativi al calore specifico a pressione costante per una soluzione acquosa di glicole propilenico e per diversi fluidi anticongelanti in funzione della temperatura. Considerando la soluzione acquosa di glicole propilenico si nota come all’aumentare della concentrazione, il calore
specifico diminuisce progressivamente e con esso la capacità del fluido secondario di trasferire calore. Per quanto riguarda i fluidi anticongelanti (non-acquosi), si può notare come il calore specifico più elevato, esibito dal HCM, è comunque, a parità di temperatura, inferiore rispetto alla miscela acquosa di glicole propilenico meno performante (concentrazione in massa 60%).

Figura 1: calore specifico a pressione costante per una soluzione acquosa di glicole propilenico e per fluidi anticongelanti in funzione della
temperatura. Dati da Melinder (1997).

In Melinder (1997) sono riportate, mediante tabelle, diagrammi ed equazioni, le proprietà dei fluidi secondari descritti in questa breve analisi. Si vuole infine nuovamente sottolineare che la scelta del fluido secondario per una determinata applicazione deve essere basata sul confronto critico delle differenti caratteristiche termofisiche, sulle caratteristiche tecnologiche (compatibilità con i materiali), di sicurezza e costo di ciascun fluido; ricordando sempre però, che non esiste un fluido secondario ideale.

Bibliografia

• Melinder, 1997, Thermophysical Properties of Liquid Secondary Refrigerants, International Institute of Refrigeration, Paris, FR.

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